【導(dǎo)讀】金屬工藝學(xué)是一門研究有關(guān)制造金屬機(jī)件的工藝方法的綜合性技術(shù)學(xué)科.2各種工藝方法本身的規(guī)律性及應(yīng)用.3金屬機(jī)件的加工工藝過程、結(jié)構(gòu)工藝性。機(jī)械設(shè)計和制造方面的工作奠定必要的金屬工藝學(xué)的基礎(chǔ)。兩大類：1使用性能：機(jī)械零件在正常工作情況下應(yīng)具備的性能。2工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削性能等。指力學(xué)性能---受外力作用反映出來的性能。力和變形同時存在、同時消失。（金屬之間的連續(xù)性沒。塑性大小以斷裂后的塑性變形大小來表示。將金屬材料制成標(biāo)準(zhǔn)式樣。過b點，試樣某一局部范圍內(nèi)橫向尺寸突然急劇縮小。通常規(guī)定產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力作為屈服極限,稱為條件屈服?？估瓘?qiáng)度Pb-斷裂前最大應(yīng)力.據(jù)統(tǒng)計，80%機(jī)件失效是由于疲勞破壞。疲勞強(qiáng)度——當(dāng)金屬材料在無數(shù)次交變載荷作用下而不致于引起斷裂的最大應(yīng)力。改善結(jié)構(gòu)形狀,避免應(yīng)力集中,表面強(qiáng)化-噴丸處理,表面淬火等.

　　

【正文】 補(bǔ)縮 同時凝固 : 冷鐵 — 厚處 . 減小熱應(yīng)力 ,但心部縮松 ,故用于收縮小的合金 . l 安置冒口 ,實行順序凝固 ,可有效的防止縮孔 ,但冒口浪費金屬 ,浪費工時 ,是鑄件成本增加 .而且 ,鑄件內(nèi)應(yīng)力加大 ,易于產(chǎn)生變形和裂紋 .∴主要用于凝固收縮大 ,結(jié)晶間隔小的合金 . l 非共晶成分合金 ,先結(jié)晶樹枝晶 ,阻礙金屬流動 ,冒口作用甚小 . l 對于結(jié)晶溫度范圍甚寬的合金 ,由于傾向于糊狀凝固 ,結(jié)晶開始之后 ,發(fā)達(dá)的樹枝狀骨狀布滿整個截面 ,使冒口補(bǔ)縮道 路受阻 ,因而難避免顯微縮松的產(chǎn)生 .顯然 ,選用近共晶成分和結(jié)晶范圍較窄的合金生產(chǎn)鑄件是適宜的 . 167。 3 鑄造內(nèi)應(yīng)力 ,變形和裂紋 凝固之后的繼續(xù)冷卻過程中 ,其固態(tài)收縮若受到阻礙 ,鑄件內(nèi)部就發(fā)生內(nèi)應(yīng)力 ,內(nèi)應(yīng)力是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因 .(有時相變膨脹受阻 ,負(fù)收縮 ) 一 內(nèi)應(yīng)力形成 1 熱應(yīng)力 : 鑄件厚度不均 ,冷速不同 ,收縮不一致產(chǎn)生 . 塑性狀態(tài) : 金屬在高于再結(jié)晶溫度以上的固態(tài)冷卻階段 ,受力變形 ,產(chǎn)生加工硬化 ,同時發(fā)生的再結(jié)晶降硬化抵消 ,內(nèi)應(yīng)力自行 消失 .(簡單說 ,處于屈服狀態(tài) ,受力 — 變形無應(yīng)力 ) 彈性狀態(tài) : 低于再結(jié)晶溫度 ,外力作用下 ,金屬發(fā)生彈性變形 ,變形后應(yīng)力繼續(xù)存在 . 舉例 : a) 凝固開始 ,粗 細(xì)處都為塑性狀態(tài) ,無內(nèi)應(yīng)力 ∵兩桿冷速不同 ,細(xì)桿快 ,收縮大 ,∵受粗桿限制 , 不能自由收縮 ,相對被拉長 ,粗桿相對被壓縮 ,結(jié)果 兩桿等量收縮 . b) 細(xì)桿冷速大 ,先進(jìn)如彈性階段 ,而粗桿仍為塑性階段 ,隨細(xì)桿收縮發(fā)生塑性收縮 ,無應(yīng)力 . c) 細(xì)桿收縮先停止 ,粗桿繼續(xù)收縮 ,壓迫細(xì)桿 ,而細(xì)桿又阻止粗桿的收縮 ,至室溫 , 粗桿受拉應(yīng)力 (+),() 由此可見 ,各部分的溫差越大 ,熱應(yīng)力也越大 ,冷卻較慢的部分形成拉應(yīng)力 ,冷卻較快的部分形成壓應(yīng)力 . 預(yù)防方法 : 1 壁厚均勻 2 同時凝固 — 薄處設(shè)澆口 ,厚處放冷鐵 優(yōu)點 : 省冒口 ,省工 ,省料 缺點 : 心部易出現(xiàn)縮孔或縮松 ,應(yīng)用于灰鐵錫青銅 ,因灰鐵縮孔、縮松傾向小，錫青銅糊狀凝固，用順序凝固也難以有效地消除其顯微縮松。 2 機(jī)械應(yīng)力 合金的線收縮受到鑄型或型芯機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。 機(jī)械應(yīng)力是暫時的 ,落砂后 ,就自行消失 .*機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用 ,可能使某些部位增加了裂紋傾向 . 預(yù)防方法 : 提高鑄型和型 芯的退讓性 . 3 相變應(yīng)力 冷卻過程中 ,固態(tài)相變時 ,體積會發(fā)生變化 .如 A— P, A— P 體積會增大 ,Fe3C— 石墨 ,體積↑ . 若體積變化受阻 .則產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力 鐵碳合金三種應(yīng)力在鑄件不同部位情況如下表 : 鑄件部位 熱應(yīng)力 相變應(yīng)力 機(jī)械應(yīng)力 共析轉(zhuǎn)變 石墨化 落砂前 落砂后 薄或外層 + + + 0 厚或內(nèi)層 + + 0 前面講過預(yù)防應(yīng)力方法 ,若產(chǎn)生應(yīng)力 ,還可通過自然時效和人工時效的方法消除應(yīng)力 . 二 變形與防止 鑄件通過自由變形來松弛內(nèi)應(yīng)力 ,自發(fā)過程 .鑄件廠發(fā)生不同程度的變形 . 舉例 : 平板鑄件 ∵ 平板中心散熱慢 ,受拉力 .平板下部冷卻慢 . ∴ 發(fā)生如圖所示變形 防止方法 : 1 壁厚均勻 ,形狀對稱 ,同時凝固 . 2 反變形法 (長件 ,易變形件 ) 殘余應(yīng)力 : 自然時效 , 人工時效 低溫退火 550— 650℃ 三 鑄件的裂紋與防止 鑄件內(nèi)應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時 ,鑄件便發(fā)生裂紋 . 1 熱裂紋 : 高溫下形成裂紋 特征 : 裂紋短 ,縫寬 ,形狀曲折 .縫內(nèi) 呈氧化色 ,無金屬光澤 ,裂縫沿晶粒邊界通過 ,多發(fā)生在應(yīng)力集中或凝固處 . 灰鐵 ,球鐵熱裂少 ,鑄鋼 ,鑄鋁 ,白口鐵大 . 原因 : 1 凝固末期 ,合金呈完整骨架 +液體 ,強(qiáng) ,塑↓ 2 含 S— 熱脆 3 退讓性不好 預(yù)防 : 設(shè)計結(jié)構(gòu)合理 , 改善退讓性 , 控制含 S 量 2 冷裂紋 : 低溫下裂紋 特征 : 裂紋細(xì) ,連續(xù)直線狀或圓滑曲線 ,裂口表面干靜 ,具有金屬光澤 ,有時里輕微氧化色 原因 : 復(fù)雜大工件受拉應(yīng)力部位和應(yīng)力集中處易發(fā)生 。 材料塑性差 。 P— 冷脆 預(yù)防 : 合理設(shè)計 ,減少內(nèi)應(yīng)力 ,控制 P 含量 , 提高退讓性 167。 4 鑄件中的氣體 常見缺陷 , 廢品 1/3. 氣體在鑄件中形成孔洞 . 一 氣孔對鑄件質(zhì)量的影響 1 破壞金屬連續(xù)性 2 較少承載有效面積 3 氣孔附近易引起應(yīng)力集中 ,機(jī)械性能↓ α k σ 1 ↓ 4 彌散孔 ,氣密性↓ 二 分類 (按氣體來源 ) 1 侵入氣孔 : 砂型材料表面聚集的氣體侵入金屬液體中而形成 . 氣體來源 : 造型材料中水分 , 粘結(jié)劑 ,各種附加物 . 特征 : 多位于表面附近 ,尺寸較大 ,呈橢圓形或梨形孔的內(nèi)表面被氧化 . 形成過程 : 澆注 水汽 (一部分由分型面 ,通氣孔排出 ,另一部分在表面聚集呈高壓中心點 )— 氣壓升高 .溶入金屬 一部分從金屬液中逸出 — 澆口 , 其余在鑄件內(nèi)部 ,形成氣孔 . 預(yù)防 : 降低型砂 (型芯砂 )的發(fā)起量 ,增加鑄型排氣能力 . 2 析出氣孔 : 溶于金屬液中的氣體在冷凝過程中 ,因氣體溶解度下降而析出 , 使鑄件形成氣孔 . 原因 : 金屬熔化和澆注中與氣體接觸 (H2 O2 NO CO 等 ) 特征 : 分布廣 ,氣孔尺寸甚小 , 影響氣密性 3 反應(yīng)氣孔 : 金屬液與鑄型材料 ,型芯撐 ,冷鐵或溶渣之間 ,因化學(xué)反應(yīng)生成的氣體而形成的氣孔 . 如 : 冷鐵有銹 Fe3O4 + C – Fe + CO↑ ∴冷鐵附近生成氣孔 防止 : 冷鐵 型芯撐表面不得有銹蝕 ,油污 ,要干燥 . 167。 5 鑄件質(zhì)量控制 1 合理選定鑄造合金和鑄件結(jié)構(gòu) . 2合理制定鑄件技術(shù)要求 (允許缺陷 ,具有規(guī)定 ) 3 模型質(zhì)量檢驗 (模型合格 — 鑄件合格 ) 4 鑄件質(zhì)量檢驗 (宏觀 , 儀器 ) 5 鑄件熱處理 : 消除應(yīng)力 , 降低硬度 ,提高切削性 ,保證機(jī)械性能 ,退火 ,正火等 第二章 常用鑄造合金 167。 1 鑄鐵 鑄鐵通常占機(jī)器設(shè)備總重量的 50%以上 .(~%C) 一 分類 1 按 C 在鑄鐵中存在形式不同 ,可分三類 : 1) 白口鑄鐵 : C 微量溶于 F外 ,全部以 Fe3C形式存在 , 斷面銀白 ,硬 ,脆 ,難機(jī)械加工 ,很少用于制造零件 . 僅用于不沖擊 ,耐磨件 . 如軋輥 主要用途 : 煉鋼原料 . 也可處理成可鍛鑄鐵 . 2) 灰口鑄鐵 : C微量溶于鐵素體外 ,全部或大部以石墨形式存在 ,斷口灰色 ,應(yīng)用最廣 . 3) 麻口鑄鐵 : 有石墨 ,萊氏體 .屬于白口鐵和灰口鐵之間的過渡組織 ,斷口黑白相間 ,麻點 .硬 ,脆 ,難加工 2 根據(jù)石墨形態(tài)的不同 ,灰口鐵又分為 : 1) 普通灰口鑄鐵 : 石墨 片狀 2) 可鍛鑄鐵 : 團(tuán)絮狀 3) 球墨鑄鐵 : 球狀 4) 蠕墨鑄鐵 : 蠕蟲狀 3 按化學(xué)成分 : 普通鑄鐵 合金鑄鐵 : Si4% Mn 2% 或一定量的 Ti Mo Cr Cu等 二 灰口鑄鐵 : 占鑄鐵產(chǎn)品的 80% 以上 1 性能 顯微組織 : 金屬基體 (鐵素體 ,珠光體 )+片狀石墨 相當(dāng)于在鋼的基體上嵌入大量的石墨片 1) 機(jī)械性能 : σ b E↓ 塑 ,韌 0. 脆性 (crispy)材料 ∵ 石墨 , 軟 脆 強(qiáng)↓ 比重小 1) 由于石墨的存在 ,減少了承載的有效面積 . 2) 石墨片的邊緣形成缺口 ,應(yīng)力集中 ,局部開裂 ,形成脆性斷裂 ,基本強(qiáng)度只利用 30~50% ∴ 石墨越多 ,越粗大 ,分布越不均或呈方向性 ,則對基體的割裂越嚴(yán)重 ,機(jī)械性能越差 . * 灰口鑄鐵的抗壓強(qiáng)度受石墨的影響較小 ,與鋼的抗壓強(qiáng)度近似 . 灰口鐵的機(jī)械性能還與金屬基體類別有關(guān) (1) 珠光體灰口鐵 : 珠光體基體上分布細(xì)小 ,均勻的石墨 . ∵ 石墨對基體割裂較輕 ,故機(jī)械性能好 . 如齒輪 (2) 珠光體 — 鐵素體灰口鐵 : ∵珠光體與鐵素體混合基體上分布粗大石墨 ,∴ 強(qiáng)↓ 適于一般機(jī)件 ,鑄造性 ,切削加工性 ,減振性 ,均由于前者 .如齒輪箱 (3) 鐵素體灰口鐵 ∵鐵素體基體分布多而粗大的石墨片 ∴ 強(qiáng) 硬↓ 塑 ,韌性差 (基體的作用遠(yuǎn)趕不上石墨對基體的割裂作用 ) 2) 工藝性能 : 脆性材料 不能鍛壓 。 可焊性差 (易裂紋 ,焊區(qū)白口 ,難加工 ) 鑄造性能好 (缺陷少 )。 切削性能好 (因石墨 ,崩碎切屑 ) 3) 減振性 : ↑ ∵石墨有緩沖作用 ,阻止振動能量傳播 ,適于機(jī)床床身等 4) 耐磨性 : ↑∵ 1 石墨是潤滑劑 ,脫落在磨擦面上 . 2 灰口鐵摩擦面上形成大量顯微凹坑 ,能起儲存潤滑油的作用 ,是摩擦面上保持油膜連續(xù) . ∴ 適于 導(dǎo)軌 襯套 活塞環(huán)等 5) 缺口敏感性 : ↓ ∵石墨已在鐵素體基體上形成大量的缺口 .所以 ,外來缺口 (鍵槽 ,刀痕 )對灰口鐵的疲勞強(qiáng)度影響甚微 ,提高了零件工作的可靠性 2 影響鑄鐵組織和性能的因素 * 鑄鐵中的碳 可能以化合狀態(tài) (Fe3C)或自由狀態(tài) (石墨 )存在 . 灰鐵中 , 一方面分析 : C 化合 =%時 ,為珠光體灰鐵 ,石墨片細(xì) 小 ,分布均勻 ,強(qiáng) 硬度高 ,可制造較重要的零件 . C化合 %時 ,珠光體 +鐵素體灰口鐵 強(qiáng)度低 ,適于一般機(jī)件 ,其鑄造性能 ,切削加工性和減振性均優(yōu)于前者 . C 化合 =0 時鐵素體灰口鐵 強(qiáng) 硬低 塑 韌 ↓ 很少用 另一方面分析 : 鑄鐵的組織和性能與石墨化程度有關(guān) . * 影響石墨化的主要因素 : 1)化學(xué)成分 : C↑ 石墨化↑ Si↑石墨化↑ (Si 與 Fe 結(jié)合力比與 C強(qiáng) ,能增大鐵水和固態(tài)鑄鐵中碳原子的游離擴(kuò)散能力 ) ∵ (1) C ,Si 過高 ,形成鐵素體灰鐵 ,強(qiáng)↓↓ 過低 ,易形成硬脆的白口組織 ,并給熔化和鑄造增加困難 . ∴合理含量 : ~%C,~%Si ∵ (2) S ↑ 石墨化↓ FeS— 熱脆 易形成白口 ∴ 一般 % 以下 . (3)Mn↑ 石墨化↓ 合理含量 : ~% 少量 :Mn+S— MnS, Mn+ FeS— Fe+MnS, MnS 比重小 ,進(jìn)入溶渣 .Mn溶于 F,提高基體強(qiáng)度 . 過多 : 阻止石墨化 . (4)P 促進(jìn)石墨化 ,但不明顯 ,多 — 冷脆 ∴ 合理量 % 以下 2)冷卻速度 : 冷卻速度增加 阻礙石墨化 灰口 — 麻口 — 白口 3 灰口鐵的孕育處理 為了提高灰口鐵的強(qiáng)度 ,硬度 ,盡量使石墨片細(xì)化 ,對其進(jìn)行孕育處理 .即加入許多外來質(zhì)點 ,增加石墨結(jié)晶核心 ,得到珠光體灰鐵 ,受冷卻速度影響小 孕育鑄鐵 (又叫變質(zhì)鑄鐵 ),適于較高強(qiáng)度 ,高耐磨性 ,氣密性鑄件 常用孕育劑 :令 Si 75%的硅鐵 ,加入量為鐵水的 ~%.沖入孕育劑 . 與 Si對石墨化影響一致 4 灰口鑄鐵的生產(chǎn)特點 1) 沖天爐熔煉 : ∵ Si Mn 易氧化 .∴ 配料時增加含量 . 為降低含 S量 ,選優(yōu)質(zhì)鐵料和焦炭 ,減少從焦炭中吸 ,加廢鋼以控制含 C 量 .(如孕育鑄鐵 ,原鐵水含 C,Si 低 ,防止加入孕育劑后石墨粗 ) 2) 鑄造性能優(yōu)良 ,便于鑄出薄而復(fù)雜的鑄件 ,(流動性好 ,收縮↓ ) 3) 一般不需冒口 ,冷鐵 ,使工藝簡化 . 4) 一般不用熱處理 ,或僅需時效 .